CN117051238A - 直流矿热炉生产硅铝合金的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流矿热炉生产硅铝合金的工艺,包括:S1.将原料煤矸石、碳源、铁源按照重量比1:0.25‑0.35:0‑0.1投入直流矿热炉,其中,煤矸石粒径10‑100mm,碳源粒径5‑20mm,铁源粒径5‑15mm;S2.控制直流矿热炉使用功率使温度达到1800℃以上,保温2‑2.5h出炉浇铸,即得硅铝合金。本发明以煤矸石为原料,采用直流矿热炉生产硅铝合金,直流矿热炉的电极一正一负为一组,电子从负电极到正电极,流动有序稳定;而交流矿热炉的三个电极的电子无序流动,电路发散,可能从电极向炉墙发散,因此功率因数由交流矿热炉的0.8‑0.85提升到0.95,电耗降低,达到了节能降耗的效果,且利用了固废煤矸石,实现了废物资源化利用。
Description
技术领域:
本发明涉及铁合金冶炼技术领域,尤其涉及一种直流矿热炉生产硅铝合金的工艺。
背景技术:
硅铝合金(aluminium silicon alloy)是一种以硅、铝为主成分的锻造和铸造合金,一般含硅量为11%。硅含量较低时,硅铝合金的延展性较好,常用来做变形合金;硅含量较高时,硅铝合金熔体的填充性较好,常用来做铸造合金。在含硅量超过Al-Si共晶点(硅含量为12.6%)的硅铝合金中,硅的颗粒含量高达14.5%~25%时,再加入一定量的Ni,Cu,Mg等元素能改善其综合力学性能。它们可用于汽车发动机中代替铸铁汽缸而明显减轻重量。用作汽缸的硅铝合金,可经过电化学处理以浸蚀表层铝而在缸内壁保留镶嵌于基体的初生硅质点,其抗擦伤能力和抗磨损性以明显改善。其中含硅量11%~13%的合金以其质轻、低膨胀系数和高耐蚀性能等特点而成为最佳的活塞材料之一。
硅铝合金的生产方法是以硅石矿和铝料作为原料,加上碳质还原剂一起于矿热炉中高温冶炼,使硅、铝的氧化物被还原剂还原成液态的硅及金属铝,在高温下还原出的硅与铝仍为液态,两者直接混合成液态的硅铝合金,由于硅石和铝料是矿石资源,尤其是铝料,其成本较高。
煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物,是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是Al2O3、SiO2,另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素等,随着我国煤炭产量的增长,煤矸石的排出量不断增加,煤矸石的处理时目前比较头疼的问题,目前大多采用堆放的形式处理,需要占用大量的土地;而由于煤矸石主要成分是Al2O3和SiO2,而且含有固定碳,具有一定热值,因此目前有用煤矸石部分代替硅石矿和铝料来生产硅铝合金,如申请号为CN201711318925.0的中国专利申请公开的制备硅铝合金的方法,该专利申请公开了(1)将煤矸石、氧化铝粉和还原剂进行混合成型处理,以便得到混合球团;(2)将所述混合球团进行固态还原处理,以便得到还原球团;(3)将所述还原球团进行冶炼处理,以便得到一次硅铝合金和冶炼渣;(4)将精炼剂和所述一次硅铝合金混合进行精炼处理,以便得到硅铝合金和精炼渣。该方法充分利用煤矸石中固有的成分制备高价值的硅铝合金,并且所得硅铝合金具有优异的性能,从而在降低硅铝合金制备成本的同时实现煤矸石的资源化利用。但是,该专利申请在生产中仍然需要加入氧化铝粉,且需要球团化处理,且流程长,步骤繁琐,能耗高;更重要的,目前的硅铝合金不管是采用什么原料生产,冶炼都是交流矿热炉生产,由于交流矿热炉存在以下缺点:电磁感应现象,涡流损耗,感抗及噪音高,矿热炉功率因数低;存在集肤效应导致电能损耗,即当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小,结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。
而且,由于交流矿热炉电极下插深度较小,即交流矿热炉电极底部距炉底的距离较大,由于电极是底端放弧放电,因此交流矿热炉电极散热大,热损失较大,表现为炉口温度高,造成的后果是炉口设备寿命短,炉口设备降温的冷却水温度高,冷却水用水量大,冷却水损耗高。
经检索,目前有文献公开研发直流矿热炉用以代替交流矿热炉,如申请号为202111116104.5的中国专利公开的一种大功率多回路直流电极矿热炉系统,申请号为CN201811467548.1的中国专利公开的一种多回路无底电极直流矿热炉,均给出了直流矿热炉结构,但并未给出以煤矸石为原料,采用直流电极矿热炉生产硅铝合金的先例,因此发明人经过研究,提出了一种直流矿热炉生产硅铝合金的工艺。
发明内容:
为解决上述技术问题,本发明的目的在于提供直流矿热炉生产硅铝合金的工艺。
本发明由如下技术方案实施:直流矿热炉生产硅铝合金的工艺,包括:
S1.将原料煤矸石、碳源、铁源按照重量比1:0.25-0.35:0-0.1投入直流矿热炉,其中,煤矸石粒径10-100mm,碳源粒径5-20mm,铁源粒径5-15mm;
S2.控制直流矿热炉使用功率使温度达到1800℃以上,保温2-2.5h出炉浇铸,即得硅铝合金。
优选的,所述煤矸石中固定碳重量含量70-80%,SiO2含量5-10%,Al2O3含量5-10%,Fe2O3含量0.5-2%;所述铁源中Fe含量60%以上,所述碳源中固定碳含量84%以上。
优选的,所述铁源包括钢屑、球团铁矿或氧化铁皮。
优选的,所述碳源为焦炭或兰炭。
优选的,所述直流矿热炉为12500kVA直流矿热炉,至少2对电极,炉壳横截面为椭圆形,长轴距为9-10m,短轴距为8-9m,极间距1.6-1.63m,炉膛深度2.1-2.5m。
本发明的优点:
1、本发明利用固废煤矸石作为原料生产硅铝合金,充分利用煤矸石中固有的成分制备高价值的硅铝合金,并且所得硅铝合金具有优异的性能,从而在降低硅铝合金制备成本的同时实现煤矸石的资源化利用。而且煤矸石中的碳可以作为冶炼过程中的还原剂,从而可减少碳源的外加量,降低本工艺的原材料成本。
2、本发明采用直流矿热炉生产硅铝合金,直流矿热炉的电极一正一负为一组,电子从负电极到正电极,流动有序稳定;而交流矿热炉的三个电极的电子无序流动,电路发散,可能从电极向炉墙发散,因此功率因数由交流矿热炉的0.8-0.85提升到0.95,电耗可以达到8500kVA/t左右;
3、本发明采用直流矿热炉生产硅铝合金,与交流矿热炉生产硅铝合金相比,在原料煤矸石与焦炭配比相同的情况下,碳源消耗量(单耗)降低,具体而言,碳源消耗量可达到4.10t/t合金左右,相比于交流矿热炉生产时降低5%(以固定碳含量84%左右的焦炭计)。
4、本发明控制直流矿热炉150-200V,二次工作电流为12000-15000A,由于交流矿热炉电极端部距炉底的距离大,直流矿热炉电极端部距炉底的距离小,相较而言,12500kVA的直流矿热炉比12500kVA交流矿热炉电极端部距炉底的距离减小400-700mm,由于电极是底端放弧放电,因此直流矿热炉的热损失比交流矿热炉的小,表现为炉口温度低,因此炉口设备寿命可延长,炉口设备降温的冷却水温度低,冷却水用水量下降,冷却水损耗降低,达到节能降耗的效果。
具体实施方式:
以下实施例1-3采用乌海三美国际矿业有限公司新建的12500kVA直流矿热炉生产,直流矿热炉采用2对电极,炉壳横截面为椭圆形,长轴距为10m,短轴距为9m;极间距1.6m,炉膛深度2.4m,二次工作电压60-140V,二次工作电流70000A;
实施例4和5采用乌海三美国际矿业有限公司原有的12500kVA交流矿热炉生产,采用三根电极,炉壳直径7.8m;极心圆直径2.65m,极间距1.7m,炉膛深度2.1m;二次工作电压120-177V,二次工作电流45000A;
实施例1-5所用的直流矿热炉和交流矿热炉均为半封闭电炉;
所用原料中,煤矸石中固定碳含量76.92%,SiO2含量6.83%,Al2O3含量5.57%,Fe2O3含量0.77%;焦炭中固定碳含量85.32%以上。
实施例1:
将原料煤矸石50t、氧化铁皮3t、焦炭15t投入直流矿热炉;控制矿热炉功率12000-12500kVA,保温2.5h出炉浇铸,得到产品1。
实施例2:
将原料煤矸石50t、氧化铁皮3t、焦炭15t投入直流矿热炉;控制矿热炉功率12000-12500kVA,保温2.5h出炉浇铸,得到产品2。
检测实施例1和实施例2出炉铁水温度,分别为1860℃和1780℃。
实施例1和2得到的产品进行检测,检测数据列于表1。
表1产品1-2检测数据表
产品 | Si(%) | Al(%) | Mn(%) | C(%) | P(%) | S(%) | 对应牌号 |
产品1 | 61.46 | 17.74 | 0.32 | 0.31 | 0.028 | 0.025 | FeAl17Si40 |
产品2 | 60.57 | 17.42 | 0.38 | 0.35 | 0.027 | 0.027 | FeAl17Si40 |
从表1可知,实施例1和2生产得到的产品1和2均符合YB/T065-1995硅铝合金的标准。
实施例1-2生产数据列于表2。
表2实施例1-2生产数据表
从表2可知,实施例1和2以煤矸石为原料,分别采用直流矿热炉和交流矿热炉生产硅铝合金时,在原料投入完全相同的情况下,产品重量分别为3.66t和3.39t,电耗分别为8553kVA/t和9231kVA/t,焦炭单耗分别为4.10和4.42t/t,可见,直流矿热炉生产硅铝合金比交流矿热炉生产硅铝合金的焦炭单耗和电耗低,节能效果显著;原因是交流矿热炉内煤矸石的熔炼是以焦炭以及煤矸石内的固定碳为还原剂,还原得到硅,释放一氧化碳以及二氧化碳;而本发明采用直流矿热炉生产硅铁,由于直流矿热炉的电效率和热效率的提高,较交流矿热炉熔炼温度相比,炉内温度可进一步提高,本发明出炉铁水检测可达1850℃以上,炉内煤矸石一部分被焦炭还原,一部分发生电化学反应(李宝宽等对直流单电极矿热炉和多回路直流矿热炉熔炼硅锰和铬铁合金进行数值模拟,发现多回路直流矿热炉中存在电化学反应且更省电,参见CN202111382195.7记载),或发生电化学反应的量比交流矿热炉内的更多,因此焦炭消耗量有所降低。
上述采用直流矿热炉生产硅钙合金时电耗的降低以及焦炭单耗的降低原因还有:由于直流矿热炉的电极一正一负为一组,电子从负电极到正电极,流动有序稳定;而交流矿热炉的三个电极的电子无序流动,电路发散,可能从电极向炉墙发散,因此直流矿热炉与交流矿热炉相比功率因数提升,电耗显著降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.直流矿热炉生产硅铝合金的工艺,其特征在于,包括:
S1.将原料煤矸石、碳源、铁源按照重量比1:0.25-0.35:0-0.1投入直流矿热炉,其中,煤矸石粒径10-100mm,碳源粒径5-20mm,铁源粒径5-15mm;
S2.控制直流矿热炉使用功率使温度达到1800℃以上,保温2-2.5h出炉浇铸,即得硅铝合金。
2.根据权利要求要求1所述直流矿热炉生产硅铝合金的工艺,其特征在于,所述煤矸石中固定碳重量70-80%,SiO2含量5-10%,Al2O3含量5-10%,Fe2O3含量0.5-2%;所述铁源中Fe含量60%以上,所述碳源中固定碳含量84%以上。
3.根据权利要求要求1所述直流矿热炉生产硅铝合金的工艺,其特征在于,所述铁源包括钢屑、球团铁矿或氧化铁皮。
4.根据权利要求要求1所述直流矿热炉生产硅铝合金的工艺,其特征在于,所述碳源为焦炭或兰炭。
5.根据权利要求要求1所述直流矿热炉生产硅铝合金的工艺,其特征在于,所述直流矿热炉为12500kVA直流矿热炉,至少2对电极,炉壳横截面为椭圆形,长轴距为9-10m,短轴距为8-9m,极间距1.6-1.63m,炉膛深度2.1-2.5m。
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